随着光通信和光网络技术的高速发展,对光子集成芯片(PIC)尺寸和集成度的要求越来越高。多层波导基于三维立体集成技术,可以提供额外的片上空间来提高芯片集成度,但是紧密的层间间隔为其与单模光纤阵列连接耦合带来了较大障碍。探索多层光波导芯片与标准单模光纤阵列的高效耦方法,十分重要。本文针对课题组研制的硅基二氧化硅(SoS)双层波导芯片,从理论与实验两个方面深入研究其与标准单模光纤阵列高效耦合的柔性过渡结构。论文首先综述了多层波导及片内耦合互连技术的研究进展,对比两种新型柔性波导制备方法,给出适合多层波导芯片耦合结构的制备工艺。接着,提出了一种SoS双层波导端口柔性耦合结构,建立了大角度弯曲波导三维纵向阶梯近似法模型;测量获得SoS双层波导芯片端面尺寸和结构参数;建立了实测SoS双层波导分析模型,仿真得到1310nm和1550nm波长单模传输条件,分析了波导宽度、未刻蚀波导层、双层波导横向偏移对传输模式的影响。然后,采用三维模场重叠积分和三维纵向阶梯近似法,分析了两种不同弯曲形状的SoS双层波导端口柔性耦合结构,得到输入/输出端直径、长度和弯曲形状等优化结构参数,仿真分析了该耦合结构性能。最后,对优化设计出的SoS双层波导端口柔性耦合结构展开实验研究。自主研制了微型针管直写法制备柔性波导的工艺平台,探究不同制备工艺对柔性波导结构尺寸的影响,成功制备出SoS双层波导芯片端口柔性耦合结构,测试得到其模斑尺寸、插入损耗、偏振相关损耗等性能参数,并与理论结果进行了对比分析。